CN102576548B - 针对图案化磁盘媒介应用的等离子体离子注入工艺期间的基板温度控制 - Google Patents
针对图案化磁盘媒介应用的等离子体离子注入工艺期间的基板温度控制 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的具体实施例提供一种在用以形成图案的等离子体离子注入工艺期间减少热能聚积的方法，所形成的图案包括基板上的磁性敏感表面上的磁畴及非磁畴。于一具体实施例中，在等离子体离子注入工艺期间控制基板温度的方法包含下列步骤：(a)于处理腔室中，在基板上进行等离子体离子注入工艺的第一部份达第一时段，该基板上形成有磁性敏感层，其中该基板的温度被维持在低于约摄氏150度，(b)在完成等离子体离子注入工艺的第一部份之后，冷却该基板的温度，以及(c)在该基板上进行等离子体离子注入工艺的第二部份，其中该基板的温度被维持低于摄氏150度。
Description
技术领域
本发明的具体实施例关于硬盘驱动器(HDD)媒介及用以制作硬盘驱动器媒介的设备及方法。详言之，本发明的具体实施例关于形成供硬盘驱动器所用的图案化磁盘媒介的方法及设备。
背景技术
硬盘驱动器(HDD)为可供电脑及相关器件选用的储存媒介。它们最常见于台式及笔记本型电脑，也可见于许多消费性电子器件，如媒体记录器及播放器，以及用以收集并记录数据的工具。也可将硬盘驱动器部署成阵列用于网路储存。
硬盘驱动器以磁力储存信息。硬盘驱动器中的磁盘配置有磁畴，磁畴可由磁头分别定址。磁头移动接近磁畴并改变磁畴的磁性以记录信息。为恢复所记录的信息，磁头移动至接近磁畴并侦测磁畴的磁性。磁畴的磁性通常解译为对应于两个可能状态，“0”状态及“1”状态中的一者。以此方式，可将数字信息记录于磁性媒介上并于之后对其恢复。
硬盘驱动器中的磁性媒介通常为玻璃、复合玻璃/陶瓷或金属基板，该磁性媒介通常为非磁性，上面沉积有磁敏感材料(magnetically susceptible material)。磁敏感材料通常经沉积以形成图案，使得磁盘的表面具有磁敏感区域，磁非活性区域散布在磁敏感区域中。非磁性基板通常在表面形貌上经图案化，且磁敏感材料是通过旋涂或电镀来沉积。磁盘可随后经抛光或平面化以暴露围绕磁畴的非磁性边界。在某些例子中，以图案化的方式沉积磁性材料，以形成由非磁性区分隔的磁粒或磁点。
预期这些方法所产生的储存结构能够支援高达约1TB/in2的数据密度，其中个别磁畴具有如20nm小的尺寸。在具有不同自旋取向(spin orientation)的磁畴接合的情况下，存在称为布洛赫壁(Bloch wall)的区域，在布洛赫壁区域中自旋取向经历自第一取向过渡至第二取向。因为布洛赫壁占据总磁畴越来越多的部分(increasing portion)，所以此过渡区域的宽度限制了信息储存的区块密度。
为克服归因于连续磁性薄膜中布洛赫壁宽度引起的密度限制，磁畴可由非磁性区域(所述非磁性区域可比连续磁性薄膜中的布洛赫壁的宽度窄)实体隔开。在媒介上产生离散磁性区域及非磁性区域的常规方法集中于形成彼此完全分隔的单一比特磁畴，通过将磁畴沉积为单独岛状物或通过自连续磁膜移除材料以实体隔开磁畴而形成所述单一比特磁畴。基板可由掩模材料和沉积于暴露部分上方的磁性材料遮蔽及图案化，或磁性材料可在掩模及图案化之前沉积，并接着在暴露部分中被蚀刻掉。在任一状况下，基板的表面形貌由磁性区域的剩余图案改变。因为典型硬盘驱动器的读写头可飞离磁盘的表面接近2nm，所以这些表面形貌改变可变得有限。进而，在硬盘驱动器制造的沉积、蚀刻以及图案化工艺期间，基板可经历多重加热及热工艺。在这些工艺期间供应至基板上的热能可能不利地硬化掩模材料或扰乱磁性区域中的原子自旋对准。硬化掩模层可能造成在掩模层剥除工艺后有残余的掩模材料留在基板上，从而污染形成于基板上的结构。此外，过度加热可造成材料的再结晶，再结晶可能不利地改变或更改预期形成于设备中的磁性，从而造成硬盘驱动器的磁性能降解。
因此，需要一种图案化磁性媒介的方法，以在媒介上形成具有高解析度的磁性及非磁性区，且不会改变硬盘驱动器的表面形貌及磁性能。
发明内容
本发明的具体实施例提供一种在用以形成图案的等离子体离子注入工艺期间减少热能聚积的方法，所形成的图案包括基板上的磁性敏感表面上的磁畴及非磁畴(non-magnetic domain)。于一具体实施例中，于等离子体离子注入工艺期间控制基板温度的方法包括下列步骤：(a)于处理腔室中，在基板上进行等离子体离子注入工艺的第一部份达第一时段，所述基板上形成有磁性敏感层，其中所述基板的温度被维持在低于约摄氏150度，(b)在完成等离子体离子注入工艺的第一部份之后，冷却所述基板的温度，以及(c)在该基板上进行等离子体离子注入工艺的第二部份，其中所述基板的温度被维持低于摄氏150度。
附图说明
为使本发明的以上引述的特征得以更详细被了解，参照具体实施例而更具体说明以上所简述的发明，其中部分具体实施例绘示于附图中。
图1描绘适于实施本发明一具体实施例的等离子体浸没离子注入工具的一具体实施例；
图2描绘流程图，图解了根据本发明一具体实施例的用于等离子体离子注入工艺的方法；
图3描绘基板的侧视图，该基板上设置有磁性敏感层，用以进行根据本发明一具体实施例的等离子体离子注入工艺；以及
图4描绘于图2的基板等离子体离子注入工艺期间，设置于图1的等离子体反应室中的基板处于图2的方法的不同阶段的温度变化。
图5描绘方块流程图，解说了图4中所描绘的基板的温度；
图6描绘根据本发明另一具体实施例，设置于图1的等离子体反应室中的基板的温度变化；以及
图7描绘根据本发明一体实施例的系统，该系统合并有图1的多个处理腔室。
为了增进了解，尽可能使用相同的元件符号来表示各图中相同的元件。应知在一具体实施例中所揭示的元件也可用于其它具体实施例，而无须另行特定说明。
然而，需注意的是，附图仅为说明本发明的典型具体实施例，而非用于限制本发明的范畴，本发明还允许其它等效具体实施例。
具体实施方式
本发明的具体实施例一般提供于等离子体离子注入工艺期间控制基板温度的设备及方法，该等离子体离子注入工艺用于形成供硬盘驱动器所用的磁性媒介基板上的磁畴及非磁畴。该设备及方法包括在基板表面上进行等离子体离子注入工艺时控制基板温度低于预定温度，以避免基板于注入工艺期间过热。因此，通过在处理期间维持基板温度低至期望温度，可形成磁畴及非磁畴而不会在处理期间有害地扰乱或破坏磁畴及非磁畴的磁性能。
图1为可利用以实施本发明具体实施例的等离子体离子注入腔室的等角图。图1的腔室有利于进行离子注入，但也可用于以高能离子冲淋基板而不注入。应考虑到其它装备也可适用于进行本发明。示例性处理腔室100包括腔室本体102，腔室本体102具有包围工艺区域104的底部124、顶部126以及侧壁122。基板支撑组件128自腔室本体102的底部124支撑并适于承接欲处理的基板302。于一具体实施例中，基板支撑组件128可包括埋入式加热器元件或冷却元件160，所述加热器元件或冷却元件160适于控制基板支撑组件128上所支撑的基板302的温度。
气体分布板130耦接腔室本体102的顶部126并面对基板支撑组件128。泵抽口132界定于腔室本体102中并耦接真空泵134。真空泵134透过节流阀136耦接泵抽口132。工艺气体源152耦接气体分布板130，以供应气态前驱物化合物供基板302上进行的工艺所用。
图1中所描绘的处理腔室100还包括等离子体源190。等离子体源190包括一对分开的外部凹角导管(reentrant conduit)140、140’，所述外部凹角导管140、140’安装于腔室本体102的顶部126的外侧，互相横断或互相正交设置。第一外部凹角导管140具有第一端140a，第一端140a经形成于顶部126的开口198耦接至腔室本体102中的工艺区域104的第一侧。第二端140b具有开口196耦接至工艺区域104的第二侧。第二外部凹角导管140’具有第一端140a’以及第二端140b’，第一端140a’具有开口194耦接至工艺区域104的第三侧，第二端140b’具有开口192耦接至工艺区域104的第四侧。于一具体实施例中，第一及第二外部凹角导管140、140’经配置以互相正交，由以提供各外部凹角导管140、140’的两端140a、140a’、140b、140b’以约90度区间沿腔室本体102的顶部126的周围设置。外部凹角导管140、140’的正交配置容许等离子体源均匀地分布遍及工艺区域104。应考虑到第一及第二外部凹角导管140、140’可具有其它配置，用以控制工艺区域104中的等离子体分布。
磁性可通透的圆环芯142、142’围绕对应一个外部凹角导管140、140’的一部份。感应线圈144、144’透过各别的阻抗匹配电路或元件148、148’耦接各别的RF功率源146、146’。各外部凹角导管140、140’为中空导电管，所述中空导电管分别由绝缘环形圈150、150’所阻断，绝缘环形圈150、150’阻断各别外部凹角导管140、140’的两端140a、140b(及140a’、104b’)之间的连续导电路径。基板表面处的离子能量由RF偏压产生器154所控制，RF偏压产生器154透过阻抗匹配电路或元件156耦接基板支撑组件128。
工艺气体包括工艺气体源152供应的气态化合物，工艺气体经由上方气体分布板130导入工艺区域104。RF功率源146自功率施加器，即，芯及线圈，142、144，耦接至供应于导管140中的气体，导管140于第一闭圆环路径中创造循环等离子体流，功率源146’可自其它功率施加器，即，芯及线圈142’、144’，耦接至第二导管140’中的气体，第二导管140’于第二封闭圆环路径中创造循环等离子体流，第二封闭圆环路径与第一圆环路径交错(例如，正交)。第二圆环路径包括第二外部凹角导管140’以及工艺区域104。各路径中的等离子体流以对应的RF功率源146、146’的频率振荡(例如，相反方向)，所述频率可彼此相同或彼此稍微偏移。
于运作中，自工艺气体源152提供工艺气体至腔室。依据本具体实施例，工艺气体可包含惰性或反应性气体，所述气体经离子化并导向基板302。可被使用的某些惰性气体包括氦、氩、氖、氪及氙等。可被使用的反应性或可反应的气体包括硼烷及其低聚合物，如二硼烷(diborane)、膦及其低聚合物、胂、含氮气体、含卤气体、含氢气体、含氧气体、含碳气体、及其组合。在某些具体实施例中，可使用氮气、氢气、氧气、及其组合。在其它具体实施例中，可使用氨及其衍生物、类似物及同系物，或碳氢化合物，如甲烷或乙烷。在其它具体实施例中，可使用含卤气体，如含氟或含氯气体，如BF3。任何容易被蒸发且不沉积本质上与基板的磁性敏感层相同的材料的物质，可透过轰击或注入而用来修饰基板的磁性。可使用多数的氢化物，如硅烷、硼烷、膦、二硼烷(B2H6)、甲烷及其它氢化物。另外，也可使用二氧化碳以及一氧化碳。
各RF功率源146、146’的功率经操作以使得其组合效应有效地解离自工艺气体源152供应的工艺气体，并在基板302的表面处产生期望的离子流。RF偏压产生器154的功率受控制而处于选定的电平，在该电平下自工艺气体解离的离子能量可朝向基板表面加速，并以期望离子浓度注入于基板302的顶表面下方的期望深度。举例而言，约100W的相对低的RF功率可供给约200eV的离子能量。可将具低离子能量的解离离子自基板表面注入介于约及约之间的浅深度。或者，约5000W的高偏压功率可供给约6keV的离子能量。自高RF偏压功率，如高于约100eV，提供并产生的具高离子能量的解离离子，可自基板表面注入实质上超过的深度。于一具体实施例中，供应至腔室的偏压RF功率可介于约100瓦及约7000瓦之间，该RF功率对应于介在约100eV及约7keV之间的离子能量。
鉴于需要中断磁性层的选定部分中原子自旋的对准，故可使用相对高能量的离子注入，如介于约200eV与约5keV之间，或介于约500eV与约4.8keV之间，如介于约2keV与约4keV之间，例如约3.5keV。受控RF等离子体源功率及RF等离子体偏压功率的组合解离气体混合物中的电子及离子，对离子赋予所要动量并在处理腔室100中产生期望的离子分布。离子经偏压并驱动向基板表面，由此以所要离子浓度、分布及距离基板表面的深度将离子注入至基板中。在某些具体实施例中，视磁性层的厚度而定，可以介于约1016原子/cm3与约1023原子/cm3之间的浓度，以约1nm至约100nm的深度来注入离子。
深度注入离子至磁性层中实现对受注入区的磁性的极大改变。浅注入(shallowimplant)，如在100nm厚的层中注入2-10nm，将使在受注入区下方的层的重要部分具有对准的原子自旋。使用具有在约200eV与约1,000eV之间的能量的离子的此类浅注入，将部分改变磁性。因此，可通过调整注入的深度来选择施加的改变程度。经注入的离子的大小也将影响注入至给定深度所需的能量。举例而言，以约2000eV的平均能量注入磁性材料中的氦离子，将使磁性材料去磁约20％至约50％，而以约2,000eV的平均能量注入的氩离子将使磁性材料去磁约50％至约80％。
图2描绘流程图，图解了根据本发明一具体实施例，于进行等离子体离子注入工艺的同时控制基板的温度的方法200。方法200经配置以于等离子体离子注入处理腔室中进行，如图1所描绘的处理腔室100。应考虑到，方法200可于其它适合的处理系统中进行，包括那些来自其它制造商的处理系统。
方法200通过在处理腔室100中提供基板(如图1及3所描绘的基板302)来开始步骤202。于一具体实施例中，可由金属或玻璃、硅基板、介电块材料以及金属合金或复合玻璃物质(如玻璃/陶瓷混合物)来制造基板302。于一具体实施例中，基板302上设置有磁性敏感层304，如图3所示。磁性敏感层304通常自一或多种铁磁性材料(ferromagnetic material)形成。在某些具体实施例中，磁性敏感层304包含具有相同或不同组成物的多个层。于一具体实施例中，磁性敏感层304包含第一层以及设置于第一层上的第二层，其中第一层为通常定义为具有低磁矫顽性(magnetic coercivity)的材料的软磁性材料，而第二层具有高于第一层的磁矫顽性。在某些具体实施例中，第一层可包含铁、镍、铂或其组合。在某些具体实施例中，第一层可包含具有相同或不同组成物的多个子层。第二层也可包含各种材料，诸如钴、铬、铂、钽、铁、铽、钆或其组合。第二层也可包含具有相同或不同组成物的多个子层(未绘示)。于一具体实施例中，磁性敏感层304包含铁或铁/镍合金的第一层以及铬、钴、铂或其结合物的第二层，第一层具有介于约100nm与约1,000nm(1μm)之间的厚度，第二层具有介于约30nm与约70nm之间的厚度，如约50nm。可通过任何适当的方法形成这些层，如物理气相沉积或溅镀、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、旋涂、电化学或无电手段电镀等等。
将掩模材料306施加至磁性敏感层304的上表面。掩模材料306经图案化以形成开口310，以暴露下方磁性敏感层304的未遮蔽的第一部份314以进行处理，并留下由掩模材料306的剩余部份所覆盖的下方磁性敏感层304的经遮蔽的第二部份312。经图案化的掩模材料306防止下方磁性敏感层304的第二部份312被处理。经图案化的掩模层306容许在磁性敏感层304的经遮蔽及未遮蔽部份312、314中形成不同磁活性的磁畴。掩模层306通常包含易于被移除而不改变磁性敏感层304的材料，或即便未移除也不会有害地影响器件特性的材料。举例而言，在许多具体实施例中，掩模层306可溶于液态溶剂，如水或碳氢化合物。在某些具体实施例中，如可硬化的液体般将掩模层306施加至基板，通过以模板进行物理压印(physical imprint)将掩模层306图案化，并通过加热或UV暴露硬化掩模层306。掩模层306也可抵抗入射能量或能量离子造成的降解。在某些具体实施例中，掩模层306为可硬化的材料，如环氧树脂或热塑性聚合物，掩模层306在硬化前会流动并在硬化后将对高能工艺(energetic process)提供一定程度的抗性。
掩模层306可使开口310所界定的第一部份314完全暴露以进行处理，以及使第二部份312由薄或厚掩模层306覆盖以保护第二部份312不受处理。于处理期间，磁性敏感层304的未遮蔽的第一部份314暴露至能量而改变未遮蔽部份314的磁性。一旦移除掩模层306，留下的磁性敏感层304具原始表面形貌，但包括了由经处理的第一部份314及未经处理的第二部份314所界定的非常细微的磁畴与非磁畴图案，能够支援超过1Tb/in2的储存密度。
于步骤204，进行等离子体离子注入工艺的第一部份，将离子注入基板302未受掩模层306保护的第一部份314，如图3中的箭头308所示。于步骤204进行的等离子体离子注入工艺将离子注入磁性敏感层304的未遮蔽区域314而更改磁性敏感层304的磁性。于处理腔室100中解离的离子308经导引朝向基板302并撞击在由掩模层306的开口310所界定、暴露的磁性敏感层304的未遮蔽部份314上。当等离子体能量及解离的离子达到足以激励磁性敏感层304中的原子的热运动的强度时，将磁性敏感层304的未遮蔽部份314暴露至等离子体能量和解离的离子通常将开始扰乱并改变磁性。通过注入磁性敏感层304内的解离的离子所造成的在某阀值以上的能量，将随机排列原子的自旋取向，减少或消除材料的磁性。磁敏感性使材料当暴露于磁场时将容易地获取磁性。磁性敏感层304的未遮蔽部份314的更改创造了由未经更改的第二部份312(由掩模层306保护的磁性敏感层304的部份)以及经更改的第一部份314(未由掩模层306保护的磁性敏感层304的部份)所界定的畴图案。图案可被识别为磁性材料的未更改畴(即，未经更改的经遮蔽的第二部份312)以及非磁性材料的经更改畴(即，经更改的未遮蔽的第一部份314)，或高磁场的未更改畴(第二部份312)以及低磁场的经更改畴(第一部份314)，或高磁敏感性的未更改畴(第二部份312)以及低磁敏感性的经更改畴(第一部份314)。因此，通过选取合适的等离子体能量范围以将期望数量的适当离子物种注入磁性敏感层304内，可有效地减少、消除并改变磁性敏感层304的磁性，以在磁性敏感层304中形成期望的磁畴及非磁畴(第一及第二部份314、312)。
可利用撞击进入磁性敏感层304的掺质/离子来改变磁性敏感层304的磁性。举例而言，注入的离子，如硼、磷以及砷离子，不仅会随机排列接近注入位置的磁矩(magneticmoment)，也会将它们所拥有的磁性赋予表面，造成经注入区域(即，第二部份312)的磁性改变，如磁性敏感层的去磁化。于一具体实施例中，可通过暴露至气体混合物并由气体混合物轰击来更改或改变磁性敏感层304的磁性或磁敏感性，气体混合物包含选自由硼、膦、胂，或其较低寡聚物(lower oligomer)所组成的组中的至少一掺质元素。于一具体实施例中，可用来提供掺质进入基板内的合适气体混合物包括BF3、BH3、B2H6、P2H5、PH3、CF4、CH4、SiF4、SiH4等等中的至少一者。于一具体实施例中，自气体混合物解离的离子可被注入磁性敏感层304内达磁性敏感层304的整体厚度的至少约50％。于一具体实施例中，离子自基板表面注入约1nm至约80nm。于一具体实施例中，于处理期间供应的气体混合物可进一步包括惰性气体。惰性气体的合适实例包括N2、Ar、He、Xe、Kr等等。惰性气体可增进气体混合物中的离子轰击，由以增加工艺气体碰撞的可能性，从而减少离子物种的重组。于一具体实施例中，可以介于约5sccm及约300sccm之间的流速供应气体混合物进入处理腔室。腔室压力通常维持在介于约4mTorr与约100mTorr之间，如约10mTorr。
可将RF功率，如电容或电感RF功率、DC功率、电磁能量或磁控溅射(magnetronsputtering)提供至处理腔室100内，以协助于处理期间解离气体混合物。使用由施加DC或RF电偏压至基板支撑件或基板支撑件上方的气体入口或二者而制造的电场，可使由解离能量所产生的离子朝基板加速。在某些具体实施例中，离子可经受质量选择(massselection)或质量过滤工艺，该工艺可包含使离子通过经对准与所要运动方向正交的磁场或电场。针对离子化原子的目的，由RF功率所提供的磁场或电场可电容式或电感式地耦合，且可为DC放电场或交流场，如RF场。或者，可将微波能量施加于含有这些元素中任何元素的前驱物气体以产生离子。于一具体实施例中，针对磁性媒介注入应用小于5keV的离子能量，如介于约0.2keV及约4.8keV之间，例如约3.5keV。在某些具体实施例中，含有高能离子的气体可为等离子体。将介于约50V及约500V之间的电偏压施加至基板支撑件、气体分配器或此两者，以用期望的能量朝向基板支撑件加速离子。在某些具体实施例中，还使用电偏压来离子化工艺气体。在其它具体实施例中，使用第二电场来离子化工艺气体。于一具体实施例中，提供高频RF场及低频RF场来离子化工艺气体和偏压基板支撑件。于13.56MHz的频率以及介于约200W及约5,000W之间的功率电平下提供高频场，并在介于约1,000Hz及约10kHz之间的频率及介于约50W及约200W的功率电平下提供低频场。可通过经由在约50W及约500W之间的RF功率所供电的感应线圈来提供再循环路径，而由感应耦合的电场产生高能离子。如上所述，通常通过偏压基板或气体分配器而使如此产生的离子朝向基板加速。
在某些具体实施例中，离子的产生可为脉冲式。可将功率施加至等离子体源达期望时间，并接着中断达期望时间。可以期望的频率及占空比(duty cycle)重复期望循环数目的功率循环。在许多具体实施例中，等离子体可以介于约0.1Hz及约1,000Hz之间的频率进行脉冲，如介于约10Hz及约500Hz之间。在其它具体实施例中，可以介于约10％及约90％之间的占空比(每个循环的供电时间对未供电时间的比率)进行等离子体脉冲，如介于约30％及约70％之间。于离子注入工艺的第一部份期间，维持基板温度低于预定温度，例如，低于摄氏150度。
于步骤206，当进行步骤204所描述的等离子体离子注入工艺的同时，使基板的温度冷却低于预定温度。如上所述，在离子注入工艺期间，离子撞击或等离子体轰击工艺期间所提供的热能或其它形式的能量可将高能离子的动能转移至磁性表面，从而随每次碰撞引发磁矩的差异随机排列，这改变磁性敏感层304的磁性及去磁化。然而，于等离子体离子注入工艺期间提供及/或产生过量的热能可能转移过量动能至基板的磁性表面，从而不利地影响并毁坏基板上的期望磁效能。因此，必须在工艺期间有效地控制基板温度，以避免对基板的磁效能有非期望的更改或使设置于基板302上的掩模层306过度硬化。
于一具体实施例中，通过关闭在等离子体离子注入工艺期间使用的RF偏压功率来控制基板的温度。一旦关闭RF功率，可实质减少在处理腔室100中的处理期间发生的离子轰击与等离子体解离，从而停止提供热能至基板。因此，逐渐冷却基板温度。基板的冷却可具有终点，终点依据持续时间或量测到的基板温度而定。可重复冷却以及额外的离子注入循环，直到达成期望的注入离子浓度为止，例如，足以将磁性敏感层306的未遮蔽部份312去磁性的浓度。
于步骤208，在充分冷却基板温度后，接着恢复RF功率，以开始等离子体离子注入工艺的第二部份好注入离子至基板内。离子注入工艺的第二部份在低于摄氏150度的温度下进行。若在步骤208期间注入期望的离子数量之前，基板温度升高或预期会升高超过摄氏150度，可依需求重复进行多次冷却步骤206及离子注入工艺的第二部份，如箭头210所示，以达到期望的离子浓度等级。
图4描绘在等离子体离子注入工艺期间，设置于图1的等离子体反应器中的基板的温度变化。在进行步骤204所述的等离子体离子注入工艺第一部份的第一时段t1期间，因离子轰击以及等离子体解离的离子撞击基板之故，基板温度逐渐增加。如轨迹402所示，基板温度自第一温度T1升高至第二温度T2。在基板达到第二温度T2后，进行冷却步骤以保持基板温度低于期望温度，例如，摄氏150度，以保留基板的磁效能以及掩模层306的膜特性。于一具体实施例中，如于步骤206所述，冷却步骤包括关闭供应至处理腔室的RF偏压功率，以冷却基板温度。一旦RF功率暂时关闭且由等离子体离子注入工艺导引至基板表面的热能暂时停止，基板自第二温度T2冷却至第一温度T1，如轨迹404所示。为了加速基板冷却工艺，可选择性供应冷却气体混合物至处理腔室，以协助带走聚集在基板表面上及处理腔室中的热能以及热。于一具体实施例中，当供应冷却气体进入处理腔室时，腔室压力受控制而介于约100mT及约5T之间。冷却气体流速可受控制而介于约100sccm及约5000sccm之间，以将腔室压力维持在期望范围。于另一具体实施例中，可依需求自基板的背侧供应冷却气体。或者，可将基板转移至冷却处理腔室以进行冷却工艺，以冷却基板至第一期望温度T1。于等离子体离子处理腔室或冷却处理腔室中使用的冷却气体选自可作为冷却媒介的气体，所述冷却气体可快速移除聚集于基板表面上的热，以便在期望的短时段内有效地冷却基板温度。在冷却基板达第二时段t2且基板温度回到期望的基板温度T1后，如于步骤206所述，可恢复等离子体离子注入工艺，并接着启动用来解离并轰击气体混合物的RF功率，以继续解离并注入离子至基板内，如轨迹406所示。相似地，在基板温度于第三时段t3期间升高至第二温度T2后，暂时关闭供应至处理腔室的RF功率，以调整基板温度，如于步骤206所述，以容许基板自第二温度T2逐渐冷却至第一温度T1，如轨迹408所示。于第四时段t4期间，基板温度逐渐冷却至期望的第一温度T1，如轨迹408所示。需注意的是，如图2中的回路210，以及图4所示第五、第六、第七以及第八时段t5至t8的轨迹410、412、414、416所示，可自注入工艺的后续部份依需求多次冷却基板温度，直到期望数量的离子被注入基板内且形成于基板中的掺质浓度达到期望等级为止。于一具体实施例中，期望以介于约1×1018原子/cm3及约1×1023原子/cm3之间的浓度将离子注入基板内。
于一具体实施例中，于步骤206期间供应冷却气体达时段t2、t4、t6、t8以冷却基板温度，冷却气体选自He、Ar、H2、N2、N2O等等组成的组。于特定具体实施例中，在步骤206期间使用的冷却气体混合物为氦(He)气。
于一具体实施例中，维持基板的第一温度T1介于约摄氏15度及约摄氏30度之间，如约摄氏20度。维持基板的第二温度T2低于约摄氏150度，如介于约摄氏50度及约摄氏130度之间，如约摄氏90度。如步骤204所述的进行等离子体离子注入工艺的时段t1、t3、t5、t7，可被控制在约5秒及约40秒之间，如约12秒。用以通过如步骤206所述的基板冷却工艺调整基板温度的时段t2、t4、t6、t8，可被控制在约3秒及约40秒之间，如约15秒。
图5描绘等离子体离子注入工艺期间所进行的工艺顺序表，等离子体离子注入工艺如图2所描绘的等离子体离子注入方法200。类似于参照图4所述的工艺顺序，在进行如步骤204所述的等离子体离子注入工艺的第一部份达第一时段t1后，可随后进行如步骤206所述的冷却步骤，以冷却基板温度达第二时段t2。或者，于等离子体离子注入处理腔室中进行等离子体离子注入工艺后，可将基板转移至冷却腔室或等候站(queuing station)，以进行冷却工艺或被动冷却基板达第二时段t2。在将基板温度冷却至期望温度范围后，可进行如步骤208所述的另一等离子体离子注入工艺达第三时段t3，以继续注入离子至基板内。于注入时，基板温度可能上升。因此，可持续进行如步骤206所述的冷却步骤，以冷却基板温度达第四时段t4。如上所述，可依需求重复进行数次如步骤208所述的等离子体离子注入工艺的第二部份，以及如步骤206所述的冷却工艺，例如达图5所描绘的示范具体实施例中的第五、第六、第七及第八时段(t5至t8)，直到在等离子体离子注入工艺期间将期望数量的离子或掺质注入基板内且不会不利地过度加热基板为止。
图6描绘在将离子/掺质注入基板时控制基板温度的另一具体实施例。如上所述，当等离子体注入离子至基板内时，因热能自离子注入工艺期间的等离子体轰击产生之故，基板温度可能会上升。因此，可使用脉冲式偏压RF功率，以充分控制基板温度避免在离子注入工艺期间过分加热。一旦RF功率以脉冲模式进行，RF功率在脉冲模式中暂时停止和中断达短时段。一旦RF功率暂时停止，在离子注入工艺期间产生的热能也会停止，容许基板温度具有短时段的下降。如图6中的基板温度轨迹602所示，当于离子注入工艺期间施加的RF功率处于脉冲模式，一旦RF功率暂停，基板温度可能如下降点604所示般下降。一旦RF功率恢复脉冲，由RF功率产生的热能再次加热基板，且由等离子体离子注入工艺期间产生的热能增加基板温度，如基板温度轨迹602中描绘的上升趋势线606所示。于此配置中，由于以脉冲模式供应的RF功率不需等到基板温度冷却回原始未处理温度T1才恢复等离子体离子注入工艺，在以RF脉冲模式进行等离子体离子注入工艺期间，基板温度仍可渐进地增加。
图7为示范性处理系统700的概要顶视图，处理系统700包括适于实行本发明的处理腔室的一具体实施例，如描绘于图1中的处理腔室100。于一具体实施例中，处理系统700可为整合处理系统，商业上可获得自加州圣大克劳拉市的应用材料公司。应考虑到其它处理系统(包含那些来自其它制造者的系统)也可适用以自本发明获益。
系统700包括真空密闭处理平台704、工厂介面(factory interface)702以及系统控制器744。平台704包括多个处理腔室710、712、732、728、720以及至少一个负载锁定腔室722，负载锁定腔室722耦接真空基板移转腔室736。图7绘示两个负载锁定腔室722。工厂介面702通过负载锁定腔室722耦接至移转腔室736。
于一具体实施例中，工厂介面702包含至少一个靠接站(docking station)708以及至少一个工厂介面自动机714，以促进基板的转移。靠接站708经配置以接受一或多个前开式晶圆盒(front opening unified pod，FOUP)。图7的具体实施例显示两个FOUP 706A至706B。需注意的是，也可于工厂介面702中，以垂直配置方式传送、排列或定位待传送至负载锁定腔室722内的基板。工厂介面自动机714具有承载片(blade)716，承载片716设置于自动机714的一端，工厂介面自动机714经配置以自工厂介面702传送基板至处理平台704，以透过负载锁定腔室722进行处理。可选择地，可将一或多个计量站(metrology station)718连接至工厂介面702的终端726，以利于测量来自FOUP 706A至706B的基板。
各负载锁定腔室722具有第一端口耦接工厂介面702，且具有第二端口耦接移转腔室736。负载锁定腔室722耦接至压力控制系统(未绘示)，压力控制系统排空并使负载锁定腔室722通气，以促使基板在移转腔室736的真空环境与工厂介面702的实质上周围(如，大气)环境之间通行。
移转腔室736中设置有真空自动机730。真空自动机730具有能在负载锁定腔室722与处理腔室710、712、732、728、720之间转移基板302的承载片(blade)734。
于一具体实施例中，至少一个处理腔室710、712、732、728、720为等离子体离子注入腔室，如图1所描绘的等离子体离子注入处理腔室100。可实施前述程序的一个合适反应器为反应器，反应器可获得自加州圣大克劳拉市的应用材料公司。应考虑到本文所述的方法也可于其它合适的等离子体反应器中实施，包括那些来自其他制造者的等离子体反应器。也可利用其它等离子体离子注入腔室，包括那些来自其他制造者的等离子体离子注入腔室。
进而，于另一具体实施例中，可配置至少一个处理腔室710、712、732、728作为冷却处理腔室之用，以进行冷却工艺，如参照图2于前文步骤206所描述。冷却处理腔室可供应冷却气体至基板表面，以按需求冷却基板的温度。
系统控制器744耦接处理系统700。系统控制器744使用系统700的处理腔室710、712、732、728、720的直接控制，或者，通过控制与处理腔室710、712、732、728、720及系统700相关的电脑(或控制器)，来控制系统700的运作。于运作中，系统控制器744使来自对应腔室和系统控制器744的数据收集与回馈可实现，以最佳化系统700的效能。
系统控制器744通常包括中央处理单元(CPU)738、存储器740以及支撑电路(support circuit)742。CPU 738可以是一个任何形式的可用于工业设定的通用电脑处理器(general-purpose computer processor)。支撑电路742习惯上耦接CPU 738，且可包含缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源供应器及类似者。当由CPU 738执行时，软件程序，如参照图2的方法200，将CPU 738转换为特定用途电脑(处理器)744。也可由位在系统700远端的第二控制器(未绘示)储存及/或执行软件程序。
于一具体实施例中，如处理系统700般的处理系统可具有四个处理腔室，包括至少一个等离子体离子注入腔室及/或耦接其的可选的冷却腔室，单一基板操作自动机经配置以操纵设置于基板载体上的单独基板，或操纵它们的载体，并翻转基板或载体。于一具体实施例中，四个处理腔室可为湿式清洁腔室、溅射腔室、物理压印腔室(physical imprintchamber)、等离子体离子注入腔室、光刻胶剥除腔室(resist stripping chamber)以及CVD腔室，CVD腔室可为等离子体增强的。在这样的具体实施例中，具有多个基板设置于其上的基板载体可连续于各腔室中处理，以生产如本文所述的硬盘驱动器基板。在某些具体实施例中，可使用基板支撑件将基板设置于腔室中，基板支撑件可将各基板的表面同时暴露至处理环境。
因此，本发明提供了在用于磁敏感性表面上形成磁畴及非磁畴的等离子体离子注入工艺期间，降低基板上的热能冲击的工艺及设备。该工艺有利地提供一种方法，以于注入离子至基板表面内同时维持期望的程度与厚度时，控制基板温度低于预定程度。于等离子体离子注入工艺期间维持的基板温度使基板的磁性及表面形貌以图案化方式(patternedmanner)保留，以便可于基板上创造密集的磁畴及非磁畴。
尽管以上内容涉及本发明的具体实施例，但是可在不脱离本发明的基本范畴的情况下设计本发明的其它及进一步的具体实施例。
Claims (15)
1.一种于等离子体离子注入工艺期间控制基板温度的方法，包含下列步骤：
(a)于处理腔室中，在基板上进行等离子体离子注入工艺的第一部份达第一时段，所述基板上形成有磁性敏感层，其中所述基板的温度被维持在低于约摄氏150度；
(b)在完成所述等离子体离子注入工艺的所述第一部份之后，关闭RF偏压功率以冷却所述基板的温度；
(c)恢复所述RF偏压功率以在所述基板上进行所述等离子体离子注入工艺的第二部份，其中所述基板的温度被维持在低于摄氏150度；以及
(d)于处理腔室原位重复步骤(b)至(c)。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包含下列步骤：
重复步骤(b)至(c)，直到所述基板的掺质浓度达到约1×1018原子/cm3及约1×1023原子/cm3之间为止。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述等离子体离子注入工艺的所述第一部份具有介于约5秒及约40秒的持续期间。
4.如权利要求1所述的方法，其中于所述基板上进行所述等离子体离子注入工艺进一步包含下列步骤：
将离子注入由设置于所述基板上的图案化掩模层所暴露的所述磁性敏感层的一部份。
5.如权利要求4所述的方法，其中注入所述磁性敏感层的离子选自由硼、膦以及胂所组成的组。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述磁性敏感层包含第一层和设置于所述第一层上的第二层。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述第一层选自由铁、镍、铂及其组合所组成的组；且所述第二层选自由钴、铬、铂、钽、铁、铽、钆及其组合所组成的组。
8.如权利要求1所述的方法，其中进行所述等离子体离子注入工艺的所述第一部份进一步包含下列步骤：
施加RF能量至供应进入所述处理腔室的气体混合物，以离子化所述气体混合物的至少一部份。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述RF能量以脉冲模式供应。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却工艺进一步包含下列步骤：
供应冷却气体至所述基板的表面。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述冷却气体包含He、Ar、H2、N2或N2O中的至少一者。
12.一种于等离子体离子注入工艺期间控制基板温度的方法，包含下列步骤：
(a)于处理腔室中，在基板上进行等离子体离子注入工艺的第一部份达第一时段，所述基板上形成有磁性敏感层，其中所述基板的温度被维持在低于约摄氏150度；
(b)关闭所述等离子体离子注入工艺的所述第一部份期间所使用的RF偏压功率，以冷却所述温度在约摄氏15度和约摄氏30度之间；
(c)恢复所述RF偏压功率，以在所述基板上继续进行所述等离子体离子注入工艺的第二部份，其中所述基板的温度被维持在低于摄氏150度；以及
(d)于处理腔室原位重复步骤(b)至(c)。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包含下列步骤：
重复步骤(b)至(c)，直到所述基板的掺质浓度达到约1×1018原子/cm3及约1×1023原子/cm3之间为止。
14.如权利要求12所述的方法，其中关闭所述偏压功率进一步包含下列步骤：
供应冷却气体至所述基板的表面。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述冷却气体包含He、Ar、H2、N2或N2O中的至少一者。
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